JP2004316657A - Mixed adjusting type hybrid bucket, and its relating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的に蒸気タービンバケット(又は、ブレード)に関し、より具体的には、特に異なる所定の振動数ダンピング特性を備えかつ改善されたシステムダンピングをもたらすように調整した複合バケットに関する。 The present invention relates generally to steam turbine buckets (or blades), and more particularly to composite buckets having different predetermined frequency damping characteristics and tuned to provide improved system damping.
蒸気タービンバケットは、大きな遠心荷重及び振動応力を受ける環境内で作動する。振動応力は、バケット固有振動数が共振状態になったときに増大する。バケットが共振状態で振動するときの振動応力の大きさは、システム内に存在するダンピング量(ダンピングは、材料的、空力的及び機械的要素からなる)と振動励振レベルとに比例する。連続結合されたバケットの場合には、振動周波数は、列になったブレードの全体システムの関数であって、必ずしもその列内の個々のブレードの関数ではない。 Steam turbine buckets operate in environments subject to large centrifugal loads and oscillating stresses. The vibration stress increases when the natural frequency of the bucket reaches a resonance state. The magnitude of the vibration stress when the bucket vibrates in resonance is proportional to the amount of damping (damping consists of material, aerodynamic and mechanical elements) and the vibration excitation level existing in the system. In the case of continuously coupled buckets, the vibration frequency is a function of the overall system of blades in the row, not necessarily of the individual blades in the row.
同時に、遠心荷重は、作動速度とバケット質量と質量が位置するエンジン中心線からの半径との関数である。バケット荷重(質量)が増大すると、所定の材料における許容可能な応力を超えることなく質量をバケット上に支持することを可能にするために、物理的面積すなわち断面積が、より低い半径方向高さにおいて増大されなければならない。このより低いスパンにおいてバケットの断面積を増大させることは、根元において流れを過剰に閉塞することになり、従って性能を低下させる。バケットの重量は、より大きなディスク応力の一因となり、従って信頼性を低下させるおそれがある。 At the same time, the centrifugal load is a function of operating speed, bucket mass and radius from the engine centerline where the mass is located. As the bucket load (mass) increases, the physical area or cross-section is reduced to a lower radial height to allow the mass to be supported on the bucket without exceeding the allowable stress in a given material. Must be increased in Increasing the cross-sectional area of the bucket at this lower span will result in excessive obstruction of the flow at the root, thus reducing performance. Bucket weight contributes to greater disk stress and can therefore reduce reliability.
幾つかの先行の米国特許が、翼形部分の一部が金属とポリマー充填材との組合せから構成された所謂「ハイブリッド」バケット設計に関連している。これらの先行特許には、特許文献1、特許文献2、特許文献3、及び特許文献4が含まれる。
本発明は、バケット又はブレード列(連続結合式又は自立形)の空気弾性応答を、列内のブレード又はバケットの固有振動数を混合調整することによって抑制する手段を提案する。具体的には、本特許は、特許文献3(米国特許第5,931,641号)に開示されているようなハイブリッドバケットの概念を利用するが、バケットの翼形部分内の内部ポケット構成を最適化することを含むようにその概念を拡大して、例示的な実施形態では、各々が同一の外部空力形状及び輪郭を有するが異なるバケット共振振動数になるような異なる内部リブ及び/又はポケット形状を備えた2つのグループ又は集団のバケットを形成するようにする。バケットの翼形部分内部のポケットは、好ましくはポリマー充填材で充填し、このポリマー充填材によってもバケットの翼形部分の1面を形成する。2つのグループのバケットの固有振動数を意図的に変えることによって、バケットは、バケットの空力特性に悪影響を及ぼさずにこの固有共振振動数の固有差を同期及び非同期回転数振動に対するシステム応答をダンピングする手段として利用するように意図的かつ論理的に組立てることができる。 The present invention proposes a means of suppressing the aeroelastic response of a bucket or blade row (continuously coupled or free standing) by mixing and adjusting the natural frequencies of the blades or buckets in the row. Specifically, this patent utilizes the concept of a hybrid bucket as disclosed in U.S. Pat. No. 5,931,641 but uses an internal pocket configuration within the airfoil portion of the bucket. Extending the concept to include optimizing, in an exemplary embodiment, different internal ribs and / or pockets, each having the same external aerodynamic shape and profile, but resulting in different bucket resonance frequencies It is intended to form two groups or groups of buckets with shapes. The pockets inside the airfoil portion of the bucket are preferably filled with a polymer filler, which also forms one surface of the bucket airfoil. By intentionally altering the natural frequencies of the two groups of buckets, the bucket damps this natural difference in natural resonance frequencies without adversely affecting the aerodynamic characteristics of the bucket, and the system response to synchronous and asynchronous speed oscillations. Can be purposely and logically assembled for use as a means of doing so.
この例示的な実施形態では、バケットの正圧側面に沿って異なる内部ポケット構成を有する2つのグループ又は組のバケットが、バケットの単一列内において蒸気タービンのロータホイール上に組立てられる。1つのグループのバケットは、別のグループのバケットよりも高い共振振動数を有するように設計される。バケット構成が決定されると、バケットは、振動抑制の目標を最良に達成するパターンでホイール上に組立てられる。この例示的な実施形態では、各グループのバケットは、交互方式で、すなわち1つのグループの各バケットが他のグループのバケットに隣り合う状態でホイール上に組立てられる。しかしながら、依然として本発明の技術的範囲内にある別の配置も考えられる。 In this exemplary embodiment, two groups or sets of buckets having different internal pocket configurations along the pressure side of the bucket are assembled on a steam turbine rotor wheel in a single row of buckets. One group of buckets is designed to have a higher resonant frequency than another group of buckets. Once the bucket configuration has been determined, the buckets are assembled on the wheel in a pattern that best achieves the goal of vibration suppression. In this exemplary embodiment, the buckets of each group are assembled on a wheel in an alternating fashion, i.e., with each bucket of one group adjacent to another group of buckets. However, other arrangements still within the scope of the present invention are conceivable.
ハイブリッドバケットによってバケットの全体重量を最大約30%軽減することを達成できるので、翼形部分の空力特性を変えずに、取付け応力を減少させかつ信頼性を向上させることができる。 The hybrid bucket can achieve up to about a 30% reduction in the overall weight of the bucket, thereby reducing mounting stress and improving reliability without changing the aerodynamic characteristics of the airfoil.
従って、より広範な態様では、本発明は、蒸気タービンロータホイールに関し、該蒸気タービンロータホイールは、ホイールの円周周辺部の周りに固定した複数のバケットを含み、各バケットは、シャンク部分と翼形部分とを含み、複数のバケットは、それぞれ異なる所定の固有共振振動数をもつ2つのグループのバケットを含む。 Accordingly, in a broader aspect, the present invention relates to a steam turbine rotor wheel, the steam turbine rotor wheel including a plurality of buckets fixed about a circumferential periphery of the wheel, each bucket comprising a shank portion and a blade. And the plurality of buckets include two groups of buckets each having a different predetermined natural resonance frequency.
別の態様では、本発明は、蒸気タービンロータホイールに関し、該蒸気タービンロータホイールは、ホイールの円周周辺部の周りに固定したバケット列を含み、バケット列は、ホイールの周辺部の周りに交互パターンで配列された2つのグループのバケットを含み、各グループは、バケット列の振動の振幅を低減するための個別手段を有する。 In another aspect, the invention relates to a steam turbine rotor wheel, the steam turbine rotor wheel including a row of buckets fixed about a circumferential periphery of the wheel, the bucket rows alternating around a periphery of the wheel. It includes two groups of buckets arranged in a pattern, each group having individual means for reducing the amplitude of vibration of the bucket train.
別の態様では、本発明は、蒸気タービンロータホイール上のバケット列内の振動を減少させる方法に関し、該方法は、a)第1の所定の固有振動数範囲を有する第1のグループのバケットを準備する段階、b)第1の所定の固有振動数範囲とは異なる第2の所定の固有振動数範囲を有する第2のグループのバケットを準備する段階、及びc)第1及び第2のグループのバケットのうちのバケットを交互方式でロータホイール上に組立てる段階を含む。 In another aspect, the invention is directed to a method of reducing vibration in a row of buckets on a steam turbine rotor wheel, the method comprising the steps of: a) providing a first group of buckets having a first predetermined natural frequency range; Providing; b) preparing a second group of buckets having a second predetermined natural frequency range different from the first predetermined natural frequency range; and c) first and second groups. Assembling the buckets on the rotor wheel in an alternating manner.
次ぎに、以下に特定する図面に関連させて、本発明を詳細に説明する。 The present invention will now be described in detail with reference to the drawings specified below.
図1には、部分的に製造された形態の蒸気タービンバケット10を示す。バケット10は、シャンク部分12と翼形部分14とを含む。本発明は、鋼又はチタンで製作することが好ましい翼形部分に関するが、他の好適な材料としては、アルミニウム、コバルト又はニッケルが含まれる。リブ16、18が、翼形部分と一体に鋳造されて個別のポケット20、22及び24を形成する。しかしながら、リブは、翼形部分の側縁部26、28と同一平面で延びていないことが分かるであろう。実際には、リブ高さは、特定の用途に応じて異なるものとすることができる。米国特許第5,931,641号に記載されているようなポリマーベースの充填材30が、図2に示すように、翼形部の正圧側面上の所定位置に成型され、ポケット20、22及び24を充填しかつリブを覆い、それによってバケットの正圧側面に滑らかな面32を形成する。具体的には、充填材30は、本質的にはポリ(ジメチルシロキサン)のようなエラストマーからなることができる。エラストマーの他の好適な選択肢には、それに限定するのではないが、ポリ(ジフェニルジメチルシロキサン)、ポリ(フルオロシロキサン)、Viton(商標)、ポリサルファイド、ポリ(チオールエーテル)及びポリ(ホスファゼン)が含まれる。
FIG. 1 shows a
充填材30を翼形部分の金属表面に接着するための選択肢には、それに限定するのではないが、自己接着、充填材30と翼形部分の金属表面との間の接着、粘着(粘着性フィルム又はペースト)及び融着が含まれる。
Options for bonding the
エラストマーを充填材として用いる場合には、エラストマーは、作動温度範囲にわたってほぼ250psi(ポンド/平方インチ)〜ほぼ50,000psi(また、より好ましくはほぼ250psi〜ほぼ20,000psi)の平均弾性率をもつのが好ましいこともさらに注目される。柔らか過ぎる(つまり、ほぼ250psi未満の平均弾性率をもつ)エラストマーは、構造的に翼形部形状を形成することができず、また硬過ぎる(つまり、ほぼ50,000psiを越える平均弾性率をもつ)エラストマーは、必要な精密許容差に製造することができない。平均弾性率に対するより好ましい範囲は、ほぼ500psi〜ほぼ15,000psiである。一部の用途においては、従来型の薄膜(図示せず)及び従来型の耐食被膜(図示せず)で、バケットの翼形部分14の露出表面を覆うことができる。
When an elastomer is used as the filler, the elastomer has an average modulus of approximately 250 psi (pounds per square inch) to approximately 50,000 psi (and more preferably approximately 250 psi to approximately 20,000 psi) over the operating temperature range. It is further noted that is preferred. Elastomers that are too soft (i.e., having an average modulus of less than about 250 psi) are structurally unable to form an airfoil shape and are too hard (i.e., have an average modulus of greater than about 50,000 psi). ) Elastomers cannot be manufactured to the required close tolerances. A more preferred range for the average modulus is from about 500 psi to about 15,000 psi. In some applications, a conventional thin film (not shown) and a conventional corrosion-resistant coating (not shown) may cover the exposed surface of the
上述の実施形態では、リブ16、18は、翼形部分14の長さに沿って反対方向に傾斜するように図示しているが、別の配置もまた本発明の技術的範囲内にある。
In the embodiments described above, the
図3に移ると、図示する別のバケット34は、リブ36、38、40、42、44、46と結合ウェブ部分48、50との一層複雑な組を含む。リブは、翼形部分の半径方向の中央付近に集中し、それに対応してより多数のポケットを形成する。しかしながら、充填材30が所定位置に成型されると、バケット34は、他の点では図2に示すバケット10と同じ外観を有することになる。
Turning to FIG. 3, another
次ぎに図4に移ると、調整したバケットのさらに別の実施形態を示している。ここでは、バケット52は、リブのない状態、もっと適切に言えば単一の大きなポケット54を備えた状態で形成されており、ポケットの全体がポリマーベースの充填材30で充填されることになる。
Turning now to FIG. 4, yet another embodiment of the adjusted bucket is shown. Here, the
例示的な実施形態では、上述のバケット設計は、図5に示すように蒸気タービンロータホイール56上にバケット列を形成するために用いることができる。具体的には、グループA及びB(それぞれ、例えばバケット10及び34からなる)を、交互方式、すなわちABAB...のパターンでタービンホイール56上に組立てて、1つのグループのバケットが、常にもう一方のグループのバケットに隣り合うようにする。バケットA、Bは、所望の振動周波数差を生じるように、本明細書で述べる構成以外の内部ポケット構成を有することもできる。やはり所望の振動ダンピング特性を得るためにバケットグループ分布のパターンを変更することも可能である。例えば、パターンAABBAA...等もまた用いることができる。
In an exemplary embodiment, the bucket design described above can be used to form a row of buckets on a steam
特に、本発明では、2つの「一回転当たり」基準(例えば一回転当たり4分割及び一回転当たり5分割)間で固有振動数が等しくなるようにした1つのグループのバケットを設計し、別の組の「一回転当たり」刺激(例えば一回転当たり3分割及び一回転当たり4分割のような)に関して固有振動数が等しくなるように、異なるリブ又はポケット構成を有するもう一方のグループのバケットを設計する可能性が存在する。解析結果は、内部リブ構成及び/又はポケット形状を変更することにより、バケットの固有振動数を大きく(±10%又はそれ以上)変更することができることを示した。 In particular, the present invention designs one group of buckets with equal natural frequencies between two "per revolution" references (eg, 4 divisions per revolution and 5 divisions per revolution), and Design another group of buckets with different rib or pocket configurations so that the natural frequencies are equal for a set of "per revolution" stimuli (eg, 3 divisions per revolution and 4 divisions per revolution) There is a possibility to do. Analysis results have shown that the natural frequency of the bucket can be changed significantly (± 10% or more) by changing the internal rib configuration and / or pocket shape.
従って、本発明は、「製造したまま」の固有振動数に基づいて選択するのではなく、特に異なる固有振動数を得るようにブレードを製造することを可能にする。バケットの個々の固有振動数を混合調整することで、ブレード設計の空力特性に悪影響を及ぼさずに同期及び非同期振動に対するシステム応答をダンピングすることによってブレード列全体の振動の振幅が低減する。 Thus, the present invention allows blades to be manufactured to specifically obtain different natural frequencies, rather than selecting based on the "as-manufactured" natural frequencies. Coordinating the individual natural frequencies of the buckets reduces the vibration amplitude of the entire row of blades by damping the system response to synchronous and asynchronous vibrations without adversely affecting the aerodynamic characteristics of the blade design.
別の重要な考慮事項は、ポリマーベースの充填材30を用いることによって可能になった質量の減少である。例えば、図1及び図3に示すように全体を構成したブレードの場合には、バケット重量を約30%軽減することができる。このような重量の軽減により、翼形部分の空力的構成を変更せずに取付け応力を減少させ、それにより信頼性を向上させる。低サイクル疲労寿命が改善され、かつ応力腐食割れの危険性を少なくすることができる。
Another important consideration is the reduction in mass made possible by using a polymer-based
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。 Although the present invention has been described in terms of what is presently considered to be the most practical and preferred embodiments, the present invention is not limited to the disclosed embodiments, and is not limited to the claims. Is for the sake of easy understanding and does not limit the technical scope of the invention to the embodiments.
10 蒸気タービンバケット
12 シャンク部分
14 翼形部分
16、18 リブ
20、22、24 ポケット
26、28 翼形部分の側縁部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
a)第1の所定の固有振動数範囲を有する第1のグループのバケット(10)を準備する段階、
b)前記第1の所定の固有振動数範囲とは異なる第2の所定の固有振動数範囲を有する第2のグループのバケット(34)を準備する段階、及び
c)前記第1及び第2のグループのバケットのうちのバケットを交互方式で前記ロータホイール上に組立てる段階、
を含む方法。 A method for reducing vibration in a bucket train on a steam turbine rotor wheel, comprising:
a) providing a first group of buckets (10) having a first predetermined natural frequency range;
b) preparing a second group of buckets (34) having a second predetermined natural frequency range different from said first predetermined natural frequency range; and c) said first and second natural frequency ranges. Assembling the buckets of the buckets of the group on the rotor wheel in an alternating manner;
A method that includes
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